(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状のロッド先端に貫入体を取り付けて成る貫入ロッドに荷重Ｗを負荷し、これを回転させながら地中に貫入し、この貫入時に前記貫入体に作用する回転負荷トルクＴ、貫入ロッドの貫入量および回転回数を検出する貫入試験方法において、
前記貫入ロッドの貫入量および回転回数と、前記荷重Ｗおよび回転負荷トルクＴとから貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥを貫入深度別に求め、このエネルギδＥの変動に基づいて腐植土層を判別することを特徴とする貫入試験方法。
【請求項２】
荷重Ｗを変化させ、各荷重Ｗにおける貫入ロッドの貫入量、回転回数および回転負荷トルクＴを検出し、これらから各荷重Ｗの下での貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥを貫入深度別に求め、このエネルギδＥの変動に基づいて腐植土層を判別することを特徴とする請求項１に記載の貫入試験方法。
【請求項３】
貫入ロッドの貫入量の増分をδｓｔ、貫入ロッドの回転回数をδｎｈｔとしたとき、貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥは、次式
δＥ＝πＴδｎｈ+Ｗδｓｔ
により求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貫入試験方法。
【請求項４】
貫入ロッドの回転回数δｎｈｔは、貫入ロッドの一回転を２回として計数した半回転数であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の貫入試験方法。
【請求項５】
貫入ロッドの貫入深度に対応させてエネルギδＥをプロットすることにより、エネルギδＥの変動をグラフで表すことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の貫入試験方法。
【請求項６】
棒状のロッド先端に貫入体を取り付けて成る貫入ロッドに荷重Ｗを負荷し、これを回転させながら地中に貫入し、この貫入時に前記貫入体に作用する回転負荷トルクＴを検出する貫入試験方法において、
貫入ロッドの貫入量の増分δｓｔと貫入ロッドが前記貫入量貫入する間の貫入ロッドの回転回数δｎｈｔとを検出し、これらと前記荷重Ｗ、回転負荷トルクＴおよび貫入ロッドの最大直径Ｄとを用いて、
Ｎｓｗ＝δｎｈｔ／δｓｔ
ｃｐ＝ＮｓｗＷＤ２／πＴ
により塑性ポテンシャル係数ｃｐを求め、この塑性ポテンシャル係数ｃｐに基づいて地層を評価することを特徴とする貫入試験方法。
【請求項７】
荷重Ｗを変化させ、各荷重Ｗにおける貫入ロッドの貫入量の増分δｓｔと、その間の貫入ロッドの回転回数δｎｈｔと、回転負荷トルクＴとを検出し、これらから各荷重Ｗの下での塑性ポテンシャル係数ｃｐを求め、この塑性ポテンシャル係数ｃｐに基づいて地層を評価することを特徴とする請求項６に記載の貫入試験方法。
【請求項８】
貫入ロッドの回転回数δｎｈｔは、貫入ロッドの一回転を２回として計数した半回転数であることを特徴とする請求項６又は請求項７の何れかに記載の貫入試験方法。
【請求項９】
貫入ロッドの貫入深度に対応させて塑性ポテンシャル係数ｃｐをプロットしたグラフに基づいて地層を評価することを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れかに記載の貫入試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に貫入体を取り付けた貫入ロッドを地中に貫入して試験データを収集し、この試験データに基づいて試験地盤における地層の評価を行う貫入試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤の硬軟や締まりの程度を知る手段として、その地盤の地層構成、即ち地表からある深さまでの土質の調査が行われている。このような土質の調査は一般にボーリング調査による標準貫入試験方法を用いて行われるが、その前段、または比較的深度の浅い部分の土質を判定する方法の一つにスウェーデン式サウンディング試験方法（以下、ＳＷＳ試験という）がある。このＳＷＳ試験は、ロッドに取り付けられたスクリューポイントを地盤に貫入する際、その抵抗を計測することによってその地盤の硬軟を測るものである。貫入方法は、非特許文献１(JIS  A 1221，地盤工学会)に示されるとおり、備え付けの錘により最大１ＫＮまで６段階で荷重を加えて荷重のみで所謂自沈貫入を行う荷重段階と、最大荷重１ＫＮにおいてもロッドが貫入しない場合に、その荷重下でロッドないしスクリューポイントを回転させて所謂回転貫入を行う回転段階との２段階で構成される。貫入抵抗に対応する計測項目は、荷重段階ではスクリューポイントが所定深度貫入した時点（２５ｃｍ貫入毎）での荷重(Ｗｓｗ)、回転段階では貫入量１ｍ当りに換算されたスクリューポイントの半回転数(Ｎｓｗ)である。この半回転数は、スクリューポイント（乃至ロッド）の一回転を２回として計数した回転回数である。
【０００３】
【非特許文献１】日本工業規格Ａ１２２１  スウェーデン式サウンディング試験方法
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に地層の構成としては、洪積層と沖積層とに大別される。一般に洪積層は硬く、沖積層は軟らかい地層として分類されるが、ＳＷＳ試験では、これらを明確に識別することが難しい場合が非常に多い。決定的な理由は、ＳＷＳ試験が荷重Ｗｓｗと半回転数Ｎｓｗをデータとして得るものであって、各深度における土質を得る試験ではないことにある。また、非常に硬く締まっていることが多い砂質層や砂礫層とは異なり、洪積層や沖積層は含水比の異なる粘土質で構成される場合が多く、ＳＷＳ試験によるロッドの貫入条件に大きな差が生じないことも挙げられる。なお、ここで言う含水比とは、単位容積の土を構成する土粒子の質量と水の質量の比である。
【０００５】
図６は、試験地Ａ（埼玉県さいたま市浦和区木崎）と試験地Ｂ（埼玉県さいたま市浦和区岸町）の２地点におけるＳＷＳ試験結果と予め標準貫入試験を行って判明した柱状図とを併記したものである。図６（ａ）は、洪積層である関東ローム層で構成された試験地Ａの結果を示し、図６（ｂ）は、沖積層で構成された試験地Ｂの結果を示す。何れもＷｓｗが１ＫＮ程度で推移しており、このＳＷＳ試験結果だけを見ても、洪積層か沖積層かを判断することは不可能である。一般に、洪積層は不同沈下がほとんど起きない地層であることから、その土地に住宅等を建築する場合に地盤補強工事を行う必要はない。しかし、上記のように判別が困難な場合は、安全面から沖積層と評価して杭打ち工事や地盤改良工事が行われる場合が多く、本来必要のない工期、労力、コストが発生してしまっている。また、沖積層以外にも特に含水比の高い腐植土層が存在する場合もある。図６（ｂ）の柱状図を見ると、沖積層の上部に腐植土層が存在しているが、ＳＷＳ試験では、これらに違いが見られない。この腐植土層は、腐植土、泥炭、ピート等、植物由来の有機質土が集積・堆積してできた、沖積層同様に比較的新しい地層であり、こうした堆積が起こりやすい谷地形部分に多く存在する。この腐植土層は、繊維質を多く含むことから、これらの結合によって圧縮やせん断に強い（強度がある）という特性を有する。このため、前述のようにＳＷＳ試験においては洪積層や沖積層と区別できないデータが現れる。反面、腐植土層は含水比が２００〜４００％と非常に高く、硬度面では洪積層や沖積層に対して大幅に軟らかいという特性を持つ。つまり、上部に同じ質量を載せた場合、最も変形しやすいのが腐植土層であり、このため、腐植土層が存在する地盤は容易に地盤沈下を起こす。ＳＷＳ試験だけでは、このような最も警戒すべき腐植土層の判別についても難しく、これを沖積層や洪積層と評価して地盤の補強が不足してしまう等の問題が発生する可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、洪積層、沖積層、腐植土層の判別が可能となる貫入試験方法の提供を目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、棒状のロッド先端に貫入体を取り付けて成る貫入ロッドに荷重Ｗを負荷し、これを回転させながら地中に貫入し、この貫入時に前記貫入体に作用する回転負荷トルクＴ、貫入ロッドの貫入量および回転回数を検出する貫入試験方法において、前記貫入ロッドの貫入量および回転回数と、前記荷重Ｗおよび回転負荷トルクＴとから貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥを貫入深度別に求め、このエネルギδＥの変動に基づいて腐植土層を判別することを特徴とする。
【０００８】
なお、上記方法においては、荷重Ｗを変化させ、各荷重Ｗにおける貫入ロッドの貫入量、回転回数および回転負荷トルクＴを検出し、これらから各荷重Ｗの下での貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥを貫入深度別に求め、このエネルギδＥの変動に基づいて腐植土層を判別することが望ましい。また、貫入ロッドの貫入量の増分をδｓｔ、貫入ロッドの回転回数をδｎｈｔとしたとき、貫入ロッドの回転貫入に伴うエネルギδＥは、次式  δＥ＝πＴδｎｈ+Ｗδｓｔにより求めることが望ましい。さらに、貫入ロッドの回転回数δｎｈｔは、貫入ロッドの一回転を２回として計数した半回転数であることが望ましい。さらに、貫入ロッドの貫入深度に対応させてエネルギδＥをプロットすることにより、エネルギδＥの変動をグラフで表すことが望ましい。
【０００９】
また本発明は、棒状のロッド先端に貫入体を取り付けて成る貫入ロッドに荷重Ｗを負荷し、これを回転させながら地中に貫入し、この貫入時に前記貫入体に作用する回転負荷トルクＴを検出する貫入試験方法において、貫入ロッドの貫入量の増分δｓｔと貫入ロッドが前記貫入量貫入する間の貫入ロッドの回転回数δｎｈｔとを検出し、これらと前記荷重Ｗ、回転負荷トルクＴおよび貫入ロッドの最大直径Ｄとを用いて、
0005291329.tif 000002
0005291329.tif 000003
塑性ポテンシャル係数ｃｐを求め、この塑性ポテンシャル係数ｃｐに基づいて地層を評価することを特徴とするものでもある。
【００１０】
上記の塑性ポテンシャル係数ｃｐにより地層を評価する方法においては、荷重Ｗを変化させ、各荷重Ｗにおける貫入ロッドの貫入量の増分δｓｔと、その間の貫入ロッドの回転回数δｎｈｔと、回転負荷トルクＴとを検出し、これらから各荷重Ｗの下での塑性ポテンシャル係数ｃｐを求め、この塑性ポテンシャル係数ｃｐに基づいて地層を評価することが望ましい。また、貫入ロッドの回転回数δｎｈｔは、貫入ロッドの一回転を２回として計数した半回転数であることが望ましい。さらに、貫入ロッドの貫入深度に対応させて塑性ポテンシャル係数ｃｐをプロットしたグラフに基づいて地層を評価することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、貫入ロッドに荷重と回転とを付加して地中に貫入し、この荷重と回転時の回転負荷トルクとに起因する貫入時のエネルギδＥによって地層を評価するものである。このため、各地層の強度面、硬度面を総合的に数値化して評価することが可能となり、ＳＷＳ試験では判別が困難であった粘性土で構成される洪積層、沖積層、腐植土層を判別することが可能になる等の利点がある。また本発明は、貫入ロッドに荷重と回転とを付加して地中に貫入して貫入ロッドの貫入量と回転回数とを検出し、これらから塑性ポテンシャル係数ｃｐを求め、この塑性ポテンシャル係数ｃｐにより地層を評価するものである。この塑性ポテンシャル係数によっても各地層の強度面、硬度面を総合的に数値化することができるため、洪積層と沖積層あるいは洪積層と腐植土層を判別することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１ないし図４において、１は自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有する。この昇降台３には、棒状のロッド４ａの先端にスクリューポイント４ｂを連結した先端に連結された貫入ロッド４と、この貫入ロッド４を一体に保持可能なチャックユニット５と、このチャックユニット５を回転駆動するチャック用モータ６と、前記支柱２の長手方向に伸びて配置されたチェーン部材２ａに噛合するスプロケット７と、このスプロケット７を回転駆動する昇降用モータ８と、前記スプロケット７の回転を制動するブレーキ手段９と、質量調整用のおもり３ａ・・とが装備されている。これらの装備の質量と昇降台３の質量の合計質量が貫入ロッド４に載荷されると、貫入ロッド４には最大１ＫＮの荷重がかかる。前記チャック用モータ６、昇降用モータ８およびブレーキ手段９は、制御ユニット１０によって駆動制御される。
【００１３】
前記チャックユニット５は昇降台３に回転自在に配置されている。このチャックユニット５の下部とチャック用モータ６の出力軸６ａとには、それぞれスプロケット１１，１２が一体に固定されており、これらに環状チェーン１３を巻き掛けることで両者は連結されている。また、チャックユニット５側のスプロケット１１の歯に対向する位置には、このスプロケット１１が回転する時の歯の通過を検出してＯＮ／ＯＦＦする近接センサ（図示せず）が設けられている。この近接センサの信号は前記制御ユニット１０によって取得され、制御ユニット１０は、この信号から貫入ロッド４の半回転数を割り出すように構成されている。
【００１４】
前記スプロケット７は、昇降用モータ８と一方向クラッチ１４および前記ブレーキ手段９を介して連結されており、一方向クラッチ１４の作用で、昇降台３を上昇させる方向にスプロケット７を回転させるよう昇降用モータ８が駆動した時、これがスプロケット７に伝達されるようになっている。逆方向にスプロケット７を回転させる昇降用モータ８の駆動（以下、逆駆動という）は、一方向クラッチ１４の空転を生じる。このため、スクリューポイント４ｂが地盤に接している状態で昇降用モータ８が逆駆動すると、貫入ロッド４（ロッド４ａないしスクリューポイント４ｂ）には、昇降台３等の質量による荷重が負荷される。この荷重は、ブレーキ手段９がスプロケット７を制動する力を変更することで０Ｎから最大荷重１ＫＮまで自在に変更することができる。なお、ブレーキ手段９としてはパウダブレーキまたはパウダクラッチが好ましい。
【００１５】
本自動貫入試験機１では、貫入ロッド４先端のスクリューポイント４ｂが地表に接する位置から貫入試験をスタートする。この位置までは、制御ユニット１０に備えられたマニュアル操作ボタンを押して昇降用モータ８を逆駆動し、昇降台３を下降させる。この位置からスタートボタンを押して試験スタート信号を与えると、制御ユニット１０は自動で貫入ロッド４の地中への貫入制御を開始する。すなわち、制御ユニット１０は試験スタート信号の入力を受けて、昇降用モータ８を逆駆動するとともに、チャック用モータ６を回転させる。これにより、貫入ロッド４に昇降台３等の質量による荷重を負荷し、これらを回転させながら地中に貫入する。
【００１６】
試験中、制御ユニット１０はブレーキ手段９を制御し、貫入ロッド４に負荷される荷重を最小荷重５０Ｎから１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ、１０００Ｎ（１ＫＮ）の順に増加させる。そして、各荷重下での貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクと、貫入ロッド４の半回転数と、貫入ロッド４の貫入量の増分とを求めて記憶する。これを貫入ロッド４が２５ｃｍ貫入する区間を単位区間として、この単位区間毎に行う。ここで、貫入ロッド４に作用する回転負荷トルクは、チャック用モータ６に負荷する電流値に比例するため、本例では、チャック用モータ６の負荷電流値から回転負荷トルクを得る。また、貫入ロッド４の貫入量の増分は、スプロケット７の回転を検出するロータリエンコーダ１５の信号からスプロケット７の回転回数を算出し、これにスプロケット一回転当たりの貫入量を乗じることで算出することができる。また制御ユニット１０は、この貫入量の増分を積算することでスクリューポイント４ｂの貫入深度を算出して記憶するとともに、単位時間当たりの貫入量からスクリューポイント４ｂの貫入速度を割り出す。制御ユニット１０は、以上の処理を繰り返し行って所定の深度（例えば、地中１０ｍの深度）までスクリューポイント４ｂを貫入する。なお、貫入試験中、貫入ロッド４のロッド４ａは、必要に応じて上部のねじ部４ｃに延長用ロッド（図示せず）を螺合して延長する。
【００１７】
前記スクリューポイント４ｂに負荷される各荷重Ｗと回転負荷トルクＴによる貫入時のエネルギδＥは、
【数１】
0005291329.tif 000004
と表すことができる。ここでδｎｈｔは各荷重下での半回転数（半回転数の増分）、δｓｔは各荷重下での貫入量の増分である。そして、同数１の右辺の値は、左が荷重による貫入時のエネルギ、右が回転付加による貫入時のエネルギを示す。つまり、エネルギδＥは、荷重による貫入エネルギと回転による貫入エネルギの総和で表される。
【００１８】
図５は、沖積層と腐植土層の各土質について行った一軸圧縮試験の結果である。この結果からわかるように、腐植土層に比べて含水比が低く土の成分が多い沖積層は、硬度的には硬く締まっているが、図５（ａ）に示すように圧縮やせん断に対しては早期に疲労破壊を生じる。これに対し、含水比が高く有機質が多い腐植土層は、いわば水を含んだスポンジのような状態で硬度的には軟らかいが、図５（ｂ）に示すように圧縮やせん断に対しては疲労破壊を生じにくく、洪積層や沖積層と同等の応力に耐えられる。これは腐植土層に含まれる繊維質等が結合して強度を確保しているためと考えられる。また、これから類推すると、沖積層よりも含水比が低い洪積層については、疲労破壊がさらに早い段階で起こるものの、その疲労限界は、同じ粘性土質であることからも沖積層と同等と考えられる。このように洪積層、沖積層、腐植土層は、硬さには違いがあるものの疲労限界は同等かむしろ腐植土層の方が高い傾向を示し、強度的な違いが少ないことがわかる。このため、最大荷重が１ＫＮ程度のＳＷＳ試験では、Ｗｓｗ値に差が生じない。しかも、何れの地層も粘性土質であることから回転による掘削には弱い。腐植土層においても、含水比が高く地層としては非常に軟らかいため、前述の繊維質の結合等は回転トルクが加えられることで容易に瓦解してしまう。このため、各層でＳＷＳ試験のＮｓｗ値にもほとんど差が生じない。しかしながら、各地層の硬度の違いは回転負荷トルクＴに現れる。洪積層のように含水比が低く土の成分が多ければ回転負荷トルクＴは高くなり、腐植土層のように土の成分に対して水分や有機質が多くなれば回転負荷トルクＴは低くなる。また、こうした違いは、貫入ロッド４を単に回転させるのではなく、付加する荷重Ｗを変更しながら回転させることにより、荷重と回転との相乗効果によって顕著となる。従って、貫入時のエネルギδＥを数１に示すように荷重と回転負荷トルクに起因する各貫入エネルギの総和として見ると、洪積層、沖積層、腐植土層を明確に判別することが可能になる。
【００１９】
図６（ａ）の洪積層から構成される試験地Ａ、図６（ｂ）の沖積層と腐植土層から構成される試験地Ｂについては、上述の通り、ＳＷＳ試験結果では違いがほとんど見られない。これに対し、図７および図８は同じ試験地で本発明の貫入試験方法により、荷重Ｗ毎の回転負荷トルクＴ、半回転数δｎｈｔおよび貫入量の増分δｓｔを試験データとして取得し、これらに基づいて数１により各荷重Ｗ下でのエネルギδＥを求め、これの単位区間（貫入量２５ｃｍ）当たりの代表値をスクリューポイント４ｂの貫入深度に対応させてプロットしたグラフである。図７が洪積層の試験地Ａ、図８が沖積層および腐植土層の試験地Ｂのものを示す。各図中に引いた太破線はエネルギδＥの近似直線である。ここで単位区間当たりの代表値をプロットしているのは、エネルギδＥの変動を明確化するためである。通常は、単位区間貫入ロッド４が貫入する間に複数のエネルギδＥが得られ、これを全てプロットすると図９の態様となる。ちなみに、この図９は、試験地Ａや試験地Ｂとは別異の地盤における貫入試験により得られたデータを示すものである。この図９のように全てのエネルギδＥをプロットした場合でも、δＥの変化を識別することができるが、一定の基準でこれらの代表値を定めた方が、δＥの変化をより識別し易いグラフが得られる。代表値としては、単位区間毎のエネルギδＥの平均値、最大値あるいは最小値等が好適である。なお、図７および図８のような貫入深度−エネルギδＥのグラフは、制御ユニット１０の液晶パネル１０ａに表示出力されたり、プリンタ１０ｂによって印刷出力されたりするなど、作業者が視認可能に出力される。
【００２０】
図７と図８を比較すると、エネルギδＥが洪積層では大きく、沖積層では小さく、腐植土層では大きくばらつくことがわかる。このことから、貫入深度に対するエネルギδＥの変化から洪積層、沖積層、腐植土層を判別することが可能である。
【００２１】
洪積層と沖積層あるいは洪積層と腐植土層とを判別するには、エネルギδＥによる以外にも、得られた試験データを利用して、次の数２により各深度における塑性ポテンシャル係数ｃｐを算出し、このｃｐの大きさに依ってもよい。
【数２】
0005291329.tif 000005
この数２において、Ｄは貫入ロッド４における最大直径、即ちスクリューポイント４ｂの最大直径を示し、Ｎｓｗは貫入量１ｍ当たりの半回転数（δｎｈｔ／δｓｔ）を示す。
【００２２】
標準貫入試験を行って予め地層や土質が判明している実際の地盤に本発明の上記方法により貫入試験を行って試験データを取得し、これを数２に代入して塑性ポテンシャル係数ｃｐを求めた結果を表１に示す。
【表１】
0005291329.tif 000006
【００２３】
塑性ポテンシャル係数ｃｐは、マクロエレメントと呼ばれる数学モデルで試験データを処理して得られる降伏曲面に対し、その座標原点を通って直角に交差する直線の傾きを示すものであり、前記表１に示すように地層、土質毎に異なる値を示す。この塑性ポテンシャル係数ｃｐの単位区間における代表値を貫入深度に対応してプロットしたグラフが図１０および図１１である。図１０は、図６（ａ）で示される洪積層の試験地Ａの塑性ポテンシャル係数ｃｐの貫入深度に対する変化を示し、図１１は、図６（ｂ）で示される沖積層および腐植土層の試験地Ｂの塑性ポテンシャル係数ｃｐの貫入深度に対する変化を示したものである。各図中に引いた太破線は、塑性ポテンシャル係数ｃｐの近似直線である。これら図１０および図１１によると、洪積層と沖積層あるいは洪積層と腐植土層で塑性ポテンシャル係数ｃｐの大きさが明確に異なっていることがわかる。このことから、制御ユニット１０で塑性ポテンシャルｃｐを演算し、これを貫入深度に対応させた表やグラフとして出力することにより、洪積層と沖積層あるいは洪積層と腐植土層を判別することが可能となる。
【００２４】
上記マクロエレメントは、塑性論アナロジーモデルとも呼ばれるものであり、土の応力とひずみの関係を与える構成則と同じ枠組み(アナロジー)を利用し、構造物の荷重と変位との関係を記述する数学モデルのことである。構造物に負荷される荷重には鉛直荷重やモーメント、水平荷重などがあるが、構造物の破壊時の荷重はその他の荷重の組み合わせによって変化する。マイクロエレメントでは、このような組み合わされた荷重の大きさを降伏曲面として記述するとともに、これらの荷重にそれぞれ対応する変位増分を塑性ポテンシャル関数を用いて記述するものである。スウェーデン式サウンディング試験や本例で紹介する貫入試験のような荷重と回転とを与えて貫入ロッドを地中に貫入する試験は、荷重段階の鉛直荷重に加えて回転段階における回転負荷トルクをその作用荷重とする試験であるので、マイクロエレメントを適用できる組み合わせ荷重の問題の一つであるといえる。
【００２５】
そこで、こうした貫入試験についてのマイクロエレメントを構築すると以下のようになる。まず、スクリューポイントに負荷される荷重段階の荷重Ｗと回転段階の回転負荷トルクＴによるエネルギδＥは、数１の通りである。数１を自沈荷重Ｗｐとスクリューポイントの最大直径Ｄとの積を用いて正規化すると、
【数３】
0005291329.tif 000007
となる。ここでＴｎは正規化トルク、Ｗｎは正規化荷重とする。また、数３の結果から、後述する塑性ポテンシャルの適用においては、ＴｎとδｎｈｔおよびＷｎとδｓｔ／Ｄがそれぞれ同軸性を有するものと判断している。
後述する実験結果から、貫入試験で得られる回転負荷トルクＴと荷重Ｗによる降伏曲面は、原点に中心を有する楕円形の曲線で表記できることが確かめられている。そこで、この降伏曲面の形状を降伏曲面係数ｃｙを用いて、
【数４】
0005291329.tif 000008
と表す。この数４を数３を用いて表すと、
【数５】
0005291329.tif 000009
が得られ、これを整理すると、降伏曲面は次のような別形式で表すことができる。
【数６】
0005291329.tif 000010
塑性ポテンシャル関数についても降伏曲面と同様な楕円形曲線を呈するものと仮定すると、
【数７】
0005291329.tif 000011
と表せる。ここでｃｐは塑性ポテンシャル係数であり、これが前記ｃｙに等しい時には関連流れ則が成立する。数７をＷｎで微分し、さらに塑性ポテンシャル関数に直交する方向を求めると、
【数８】
0005291329.tif 000012
となる。ここで１ｍ貫入量当りの半回転数Ｎｓｗにスクリューポイント最大径Ｄを乗じたＮｓｗＤを正規化Ｎｓｗと定義する。前記数２は、この数８から求められる。
【００２６】
図１２ないし図１４に粘土の土質サンプルについて行った実験の解析結果を示す。実験は、粘土について作製した実験用人工地層により行った。実験用人工地層は、図１５に示す直径２８ｃｍ高さ５０ｃｍの円形土槽Ｂの下部に排水層として砂と砂利を敷き詰め、その上から含水比ｗ＝５０％に調整した藤ノ森粘土Ｃを投入し、この粘土Ｃの透水性を高めるために２４時間真空ポンプを用いて脱気し、その後、上部から約２０ｋＰａを段階的に載荷させ下部は−１００ｋＰａに減圧させて圧密を行うことにより得た。
【００２７】
実験装置は、図１５に示すようにロッド２０、おもり２１、ベアリング付きおもり載荷装置２２、スクリューポイント２３、トルク計２４から構成されている。ここでスクリューポイント２３は、実物の１／５の大きさになるように銀粘土を用いて作製したもので、四角錘を右に一回ひねった形状をしており最大径６．７ｍｍ、長さ４０ｍｍである。
【００２８】
実験方法は、まずロッド２０の先端にスクリューポイント２３とおもり載荷装置２２を取り付け、ロッド２０が鉛直に貫入されるように固定する。次に初期のおもり２１を載荷し、自沈（荷重のみでの貫入）が停止してからそのときの貫入量を測定する。一方、最大荷重を載荷しても自沈しない場合はトルク計２４を用いて回転貫入する。この方法で５ｃｍ毎の自沈荷重または回転負荷トルクを得ながら、スクリューポイント２３を２５ｃｍの深さまで貫入する。スクリューポイント２３が２５ｃｍの深さまで貫入すると、一旦引き抜き、最大荷重を変えて同様の方法で試験を繰り返す。これを最大荷重を例えば４０Ｎ，８０Ｎ，１２０Ｎ，１６０Ｎ，２００Ｎの５段階に変化させて行うことにより、同一深度（５ｃｍ毎）における自沈荷重または異なる荷重での回転負荷トルクを得ることができる。これらの（πＴ／Ｄ）２，Ｗ２の深度毎の関係をプロットしたものが図１２である。この図１２における傾きが降伏曲面係数ｃｙ、Ｘ軸切片が自沈荷重Ｗｐとなる。これにより得られた各深度での自沈荷重Ｗｐ、最大荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを数４に代入し、πＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐの関係をプロットしたのが図１３であり、図中の実線は、数４に降伏曲面係数ｃｙを代入して算出した理論値を示す。理論値と実験値を比較すると、いくらかばらつきが見られるものの、理論値のような楕円形の降伏曲面の存在が確認できた。また、図１４は、前述の粘土地盤について得た荷重Ｗおよび回転負荷トルクＴを用いて、数８における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係をグラフ化したものである。
【００２９】
図１６は、前述の粘土地盤と同様の方法で関東ローム、中密砂、密な砂の各土質サンプルについて作製した実験用人工地層に対して実験行い、その結果から求めた降伏曲面を粘土地盤のものと一緒に同一スケールでプロットした図である。これにより、降伏曲面は各土質において異なる形状を示すことがわかる。このように、各土質について求めた降伏曲面を基準として、これと実際の地盤（以下、実地盤という）での試験において求まる降伏曲面の形状とを比較することで、土質の判定を行うことも可能である。なお、降伏曲面については、楕円形に限定されず土質によって様々な形状を成すと考えられる。このため、土質の判定基準となる土質毎の降伏曲面は、様々な土質サンプルによる実験や実地盤における実測等により、できるだけ多くの種類を揃えておくことが好ましい。
【００３０】
また図１７は、関東ローム、中密砂、密な砂の実験結果から求めた数８における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係を粘土地盤のものと一緒に同一スケールで表したものである。この関係においても土質毎に異なった傾き、すなわち塑性ポテンシャル係数ｃｐを示すことから、このグラフを土質判定の基準として用いることもできる。実際の地盤においては、上記のように深度に対応してｃｐをプロットした方が地層や土質の変化を把握しやすい。また、次の表２は、以上の実験結果から得られた粘土、関東ローム、中密砂、密な砂についての降伏曲面係数ｃｙと塑性ポテンシャル係数ｃｐとをまとめたものである。これらについても、土質により異なった値となることがわかる。このため、実地盤における貫入試験により荷重Ｗと回転負荷トルクＴを取得し、これらから上記数４ないし数８を使って各係数ｃｙ，ｃｐを求め、これらを予め実験で得られた基準値と比較することによっても土質を判定することが可能である。
【表２】
0005291329.tif 000013
【００３１】
実地盤における貫入試験においては、貫入ロッド４を地中に貫入する場合にロッド４ａの長さが長くなるため、これに作用する土の抵抗が大きくなる。従って、前述の塑性論アナロジーモデルによる分析を実際の貫入試験へ適用する場合には、ロッド４ａに作用する周面摩擦の影響を考慮する必要がある。図１８は、貫入ロッド４に作用する周面摩擦の概念図を示す。ロッド４ａに作用する鉛直方向の周面摩擦をＷｆ、水平方向の周面摩擦によるトルクをＴｆ、スクリューポイント４ｂに負荷されている真の荷重をＷ、真の回転負荷トルクをＴとした場合、周面摩擦を考慮した荷重Ｗａおよび回転負荷トルクＴａ（実際に貫入ロッド４に負荷される荷重と、検出される回転負荷トルク）は 数９，数１０で表される。
【数９】
0005291329.tif 000014
【数１０】
0005291329.tif 000015
また、合速度方向と合せん断応力の方向が等しいと仮定すると数１１および数１２が得られる。
【数１１】
0005291329.tif 000016
【数１２】
0005291329.tif 000017
ここで、δｎｈｔは半回転数の増分、δｓｔは貫入量の増分、ｒはロッド径、τは合せん断応力、τθは水平方向のせん断応力、τｚは鉛直方向のせん断応力である。
一方、回転および自沈貫入により生じる摩擦をそれぞれＴｆ，Ｗｆとすると、数１３が得られる。
【数１３】
0005291329.tif 000018
この数１３より、
【数１４】
0005291329.tif 000019
が得られ、数１２と数１３とから、
【数１５】
0005291329.tif 000020
となる。ここで、Ｆは荷重およびトルクによる周面摩擦の合力である。数８、数９および数１４より、
【数１６】
0005291329.tif 000021
また、数１０および数１６より、
【数１７】
0005291329.tif 000022
となり、この数１７をＮｓｗＤについて解くと、
【数１８】
0005291329.tif 000023
となる。この数１８により、ロッド４ａの周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを得ることができる。正規化Ｎｓｗを土質判定の基準として用いる場合には、この周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを用いるのがよい。また、上述の降伏曲面を求める場合にも、スクリューポイント４ｂに作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを用いた方がよい。この場合には、特開2001-228068号公報によって示される方式により、スクリューポイント４ｂにかかる荷重Ｗとロッド４ａに作用する鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとは求めることができる。これにより得られた鉛直周面摩擦Ｗｆを数１４に代入してロッド４ａに作用する水平周面摩擦トルクＴｆを求め、さらに、この水平周面摩擦トルクＴｆと、実測された回転負荷トクルＴａとを数９に代入すればスクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクＴを求めることができる。このようにしてロッド４ａに作用する周面摩擦による荷重やトルクを除外したスクリューポイント４ｂに本来作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを求め、これらを用いることにより、より正確な降伏曲面を求めることができる。
【００３２】
本自動貫入試験機１による貫入試験で試験データとして得られた荷重と回転負荷トルクは、正確には前記数９、数１０における荷重Ｗａと回転負荷トルクＴａに相当するものである。よって、より正確な地層の評価を行うためには、制御ユニット１０において、得られた荷重Ｗａと回転負荷トルクＴａとから周面摩擦の影響を除外し、、スクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを求めることが好ましい。
【００３３】
なお、以上の説明では貫入ロッド４に負荷する荷重を段階的に変動させ、スクリューポイント４ｂが２５ｃｍの単位区間貫入する毎の各荷重下での回転負荷トルクを取得するようにしているが、これ以外にも、次の方法で所定深度毎の異なる荷重に対する回転負荷トルクを取得してもよい。すなわち、ロッドを所定深度（例えば２５ｃｍ）毎貫入する間は、通常のスウェーデン式サウンディング試験方法に従って自沈貫入および回転貫入を適宜行って貫入ロッド４を地中に貫入する。そして、スクリューポイント４ｂが所定深度貫入する毎に一旦荷重を０（ゼロ）にし、ここから荷重を５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮと（ただし、所定深度貫入する間、自沈貫入であった場合は、その自沈貫入が起きる最大の荷重まで）増やし、各荷重毎に貫入ロッド４を回転させて回転負荷トルクその他のデータを得る。これによって得られた試験データからエネルギδＥや塑性ポテンシャル係数ｃｐを求めても、地層の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の斜視図である。
【図２】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の拡大側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に係る拡大断面図である。
【図４】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図５】（ａ）は沖積層土、（ｂ）は腐植土の一軸圧縮試験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は洪積層の試験地Ａ、（ｂ）は沖積層および腐植土層の試験地ＢにおけるＳＷＳ試験結果の比較説明図である。
【図７】洪積層の試験地Ａにおける貫入深度に対する貫入エネルギδＥのグラフである。
【図８】沖積層および腐植土層の試験地Ｂにおける貫入深度に対する貫入エネルギδＥのグラフである。
【図９】貫入深度に対する貫入エネルギδＥの説明用グラフである。
【図１０】洪積層の試験地Ａにおける貫入深度に対する塑性ポテンシャル係数ｃｐのグラフである。
【図１１】沖積層および腐植土層の試験地Ｂにおける貫入深度に対する塑性ポテンシャル係数ｃｐのグラフである。
【図１２】マクロエレメントに関する実験データの説明用グラフである。
【図１３】マクロエレメントに関する実験データの説明用グラフである。
【図１４】マクロエレメントに関する実験データの説明用グラフである。
【図１５】マクロエレメントに関する実験装置の概略説明図である。
【図１６】各種土質についての降伏曲面の一例を示すグラフである。
【図１７】各種土質についての塑性ポテンシャル係数の一例を示すグラフである。
【図１８】地中に貫入した貫入ロッドに作用する周面摩擦の説明用概念図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  自動貫入試験機
２  支柱
２ａ  チェーン部材
３  昇降台
４  貫入ロッド
４ａ  ロッド
４ｂ  スクリューポイント
５  チャックユニット
６  チャック用モータ
７  スプロケット
８  昇降用モータ
９  ブレーキ手段
１０  制御ユニット
【図１】
0005291329.tif 000024
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図１５】
0005291329.tif 000029
【図１８】
0005291329.tif 000030
【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005291329.tif 000035
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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